汪洹湛，王均星，李 倩

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北 武漢 430072)

0 引 言

人類在河道中修建的大壩、水閘等眾多水工建筑物，切斷了魚類上溯的通道，影響了河道中的動植物種群。原生魚類種群自由遷徙的途徑被切斷，導(dǎo)致其遺傳多樣性降低[1]。從生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益等多方面來看，修建魚道是十分必要的。

傳統(tǒng)的工程魚道存在過魚目標(biāo)單一、施工材料方法不環(huán)保、不利于運(yùn)行維護(hù)管理等問題，使其在維護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)完整性方面貢獻(xiàn)有限[1]。為了解決以上諸多問題，20世紀(jì)70年代，Katopodis等首次提出了仿自然型過魚通道。仿自然型過魚通道采用天然漂石、沙礫、礫石和蠻石等材料，通過不同的碼放方式，盡可能地模擬天然河流的水流狀態(tài)，使其有利于水能的耗散，使得水流條件更接近天然河道，從而提高過魚效率[2]。同時，礫石、蠻石等經(jīng)水流的沖刷和水體營養(yǎng)物質(zhì)輸移以后，石塊間隙會逐漸形成新的浮游群落，成為可供魚類棲息、繁殖的場所[3]。魚道進(jìn)口處對魚類吸引能力的大小，直接決定了整個魚道的過魚效果，一般魚道進(jìn)口應(yīng)滿足以下條件：①能適應(yīng)不同過魚季節(jié)運(yùn)行水位的變化；②一般布置在有水流下泄、魚類洄游路線及魚類集群的位置；③進(jìn)口附近水流流態(tài)良好，不應(yīng)出現(xiàn)漩渦、水躍和回流等[4]。在仿自然通道的進(jìn)口處可設(shè)置集魚系統(tǒng)，集魚系統(tǒng)一般架設(shè)于水庫與仿自然通道之間，作用在于將水庫中的魚類更集中地吸引至仿自然通道中。實(shí)際工程中，在集魚系統(tǒng)內(nèi)部可以設(shè)置補(bǔ)水管，使其滿足一定的水力學(xué)條件，更好地吸引魚類進(jìn)入集魚系統(tǒng)，進(jìn)而進(jìn)入仿自然通道，提高過魚效率。本文以雅口仿自然通道集魚系統(tǒng)為例，通過分析水工模型試驗所得的數(shù)據(jù)資料，進(jìn)行補(bǔ)水系統(tǒng)的優(yōu)化布置，提出提高魚類通過率的辦法。

1 雅口仿自然通道工程概況

雅口航運(yùn)樞紐位于湖北省宜城市，是漢江干流湖北省內(nèi)梯級開發(fā)中的第6級。雅口仿自然通道長560.58 m，采用梯形斷面，底寬2.0 m，邊坡為1∶2.5，水深2.0 m，正常運(yùn)行時水面寬12.0 m，通道縱坡1%，邊坡采用漿砌蠻石，底部鋪以卵石或礫石塊。集魚系統(tǒng)底部與仿自然通道進(jìn)口處水平相接，底部高程48.72 m，在高程49.46 m設(shè)置9個進(jìn)魚孔(尺寸1 m×1 m)，從靠近仿自然通道的進(jìn)魚孔依次編號為1號至9號，其中1號至8號面向尾水渠并與水流方向垂直，9號位于與尾水方向平行的側(cè)墻上。集魚系統(tǒng)寬度為2 m，長為63.64 m。由于集魚系統(tǒng)架設(shè)在1號、2號、3號尾水管正上方，故本次模型試驗只設(shè)置位于集魚系統(tǒng)正下方的三組尾水管。集魚系統(tǒng)平面布置圖如圖1所示，集魚槽剖面圖如圖2所示。

圖2 集魚槽剖面圖(單位：m)Fig.2 Profile of the fish collection channel

本工程過魚設(shè)施的過魚對象為壩址處分布的所有魚類，其中重點(diǎn)考慮鰱、草魚、青魚、鳙、赤眼鱒、長吻鮠等魚類。根據(jù)魚類游泳能力測試試驗得到，鰱、草魚、青魚、鳙等主要洄游生物感應(yīng)流速為0.2 m/s，喜好流速為0.48～0.96m/s，極限流速為1.2 m/s[5,6]。

2 模型試驗

物理模型采用幾何比尺為λL=30水工正態(tài)模型，按照重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計[7,8]，其他比尺見表1。模型模擬范圍為上游仿自然通道出口至下游集魚系統(tǒng)，其中在集魚系統(tǒng)上游模擬了電站尾水管來更精確地反映下游水庫的水流條件。整個集魚系統(tǒng)用有機(jī)玻璃制作，制作過程嚴(yán)格按照模型比尺進(jìn)行，制作精度控制為0.1 mm。本試驗使用直讀式流速儀進(jìn)行點(diǎn)流速測量；流量通過IFM5080K型電磁流量計控制。

表1 模型比尺表Tab.1 Model scales

本次模型試驗根據(jù)上下游水位的不同，組合產(chǎn)生4組工況，其中工況1的上游水位為55.72 m，下游水位為50.32 m，上下游水位差即仿自然通道進(jìn)出口處水位差達(dá)到最大，流速、流態(tài)均最具有代表性。在工況1中，只運(yùn)行1號機(jī)組為工況1-1，只運(yùn)行2號機(jī)組為工況1-2，只運(yùn)行3號機(jī)組為工況1-3。本工程在通常情況下只運(yùn)行1號機(jī)組，故本文均選取工況1-1進(jìn)行研究分析，其下泄流量為372.4 m3/s。

3 試驗結(jié)果與分析

測量每個進(jìn)魚孔流速，集魚槽內(nèi)流速為內(nèi)部流速，集魚槽外流速為外部流速。流速方向及大小如圖3所示。

圖3 流速方向與大小(單位：m/s)Fig.3 Velocity and their direction

試驗表明，當(dāng)只運(yùn)行1號機(jī)組時：①仿自然通道的進(jìn)口處受到上游下泄水流的影響，流速分布在0.22～0.44 m/s之間，略大于魚類感應(yīng)流速，未達(dá)到魚類極限流速甚至喜好流速，故不能滿足魚類繼續(xù)洄游的需求。②集魚槽內(nèi)流速分布在0.05～0.55 m/s之間，流速偏小，不能誘導(dǎo)其中的魚類逆水流方向從集魚槽洄游至魚道進(jìn)口，進(jìn)而進(jìn)入仿自然通道。在9號進(jìn)魚孔處，受整個尾水渠內(nèi)水流影響，水流方向與魚類洄游方向相同，嚴(yán)重干擾了魚類進(jìn)入集魚系統(tǒng)。③進(jìn)魚孔由于尺寸的突然縮小，水流流速相對魚道進(jìn)口與集魚槽內(nèi)流速有所增加，流速分布在0.16～0.49 m/s之間。由于整個集魚系統(tǒng)架設(shè)在尾水管上方，受尾水管下泄水流的影響，進(jìn)魚孔處流速增大，但是附近流態(tài)較為紊亂，在水深較大的區(qū)域存在漩渦，導(dǎo)致每個進(jìn)魚孔處無明顯主流，不能使魚類清晰地辨別出水流方向，從而不能順利進(jìn)入集魚系統(tǒng)。④整個集魚系統(tǒng)內(nèi)流態(tài)較差，雖然無漩渦、水躍和回流等不良流態(tài)，但是主流流速小，流向不明確，不能指引魚類沿著正確的方向繼續(xù)洄游，魚類若能進(jìn)入集魚系統(tǒng)，也會于其中徘徊不前。理論研究表明，只要滿足魚道進(jìn)口處下泄水流的流速小于目標(biāo)魚類的沖刺速度，則魚道進(jìn)口下泄水流的流速越大越好[4]。故此處集魚系統(tǒng)誘魚效果差，不滿足設(shè)計要求。

4 優(yōu)化方案

為改善集魚系統(tǒng)的誘魚效果，對原方案做出如下優(yōu)化：①將原集魚系統(tǒng)中的9個進(jìn)魚孔改成2個輔助進(jìn)魚口，尺寸如圖4所示。②對集魚系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行定點(diǎn)補(bǔ)水，設(shè)置3根不同補(bǔ)水管分別對主進(jìn)口處、集魚系統(tǒng)兩個輔助進(jìn)魚口進(jìn)行補(bǔ)水。主進(jìn)魚口處設(shè)置補(bǔ)水管，與水平方向呈30°，使其既對集魚槽內(nèi)補(bǔ)水，也對主進(jìn)魚口補(bǔ)水。其余兩個輔助補(bǔ)水管對集魚系統(tǒng)兩個

輔助進(jìn)魚口進(jìn)行定點(diǎn)補(bǔ)水，與水平方向呈30°，既能提供出水流量，又能為進(jìn)入集魚槽的魚類提供上溯方向。主補(bǔ)水管直徑0.35 m，兩個輔助補(bǔ)水管直徑0.15 m。優(yōu)化后的集魚系統(tǒng)平面布置圖如圖5所示，模型如圖6所示。

圖4 輔助進(jìn)魚口尺寸(單位：m)Fig.4 Size of the auxiliary fish entry

圖5 優(yōu)化后集魚系統(tǒng)平面布置圖(單位：m)Fig.5 Layout of the optimal fish collection system

圖6 輔助進(jìn)魚口與補(bǔ)水管模型圖Fig.6 Model of the auxiliary fish entry and water supplement system

5 優(yōu)化結(jié)果與分析

對優(yōu)化后的方案進(jìn)行模型試驗，集魚槽內(nèi)各測點(diǎn)的位置和流速如圖7所示。通過流量計檢測調(diào)節(jié)，確保主補(bǔ)水管補(bǔ)水流量為為0.33 m3/s，兩個輔助補(bǔ)水管補(bǔ)水流量為0.03 m3/s，滿足補(bǔ)水要求。兩個輔助進(jìn)魚口的流態(tài)如圖8所示。

圖7 優(yōu)化后流速大小與方向(單位：m/s)Fig.7 Velocity and their direction after optimization

圖8 輔助進(jìn)魚口處流態(tài)Fig.8 Flow regime of the auxiliary fish entry

從試驗結(jié)果可以得知：①增加定點(diǎn)補(bǔ)水后，主補(bǔ)水管補(bǔ)水效果明顯，主進(jìn)魚口流速達(dá)到魚類喜好流速，在不超過魚類極限流速的情況下，能夠最大限度地吸引魚類，同時使集魚槽內(nèi)流量、流速增大。②將9個進(jìn)魚孔改為2個輔助進(jìn)魚口之后，輔助進(jìn)魚口處流速大于集魚系統(tǒng)外部流速，主流突出，魚類更容易感應(yīng)到進(jìn)魚口處的水流，從而較為集中地進(jìn)入集魚系統(tǒng)，同時增大集魚槽內(nèi)流量與流速。③補(bǔ)水角度的設(shè)置直接影響補(bǔ)水效果，此處補(bǔ)水管與水平方向呈30°，試驗證明，該措施既能保證集魚槽內(nèi)流量、流速的增加，又保證了主進(jìn)魚口與兩個輔助進(jìn)魚口處的流速達(dá)到誘魚要求。④3個補(bǔ)水管同時運(yùn)行，保證了整個集魚槽內(nèi)流量穩(wěn)定，流速銜接順暢，為魚類繼續(xù)洄游創(chuàng)造良好的條件。⑤仿自然通道進(jìn)口處、集魚槽內(nèi)以及兩個輔助進(jìn)魚口處的流速與流量的增大，使整個集魚系統(tǒng)中的流場更加具有辨識度，流態(tài)平穩(wěn)，無漩渦、水躍等不良流態(tài)。⑥3個補(bǔ)水管的補(bǔ)水流量一共為0.39 m3/s，滿足實(shí)際工程需要，即利用較小的補(bǔ)水流量達(dá)到最佳的過魚效果。同時補(bǔ)水設(shè)施簡單，易于施工，經(jīng)濟(jì)效益高。

6 結(jié) 語

通過對雅口航運(yùn)樞紐仿自然通道的集魚系統(tǒng)進(jìn)行模型試驗，主要研究了有無補(bǔ)水管以及補(bǔ)水管的布置形式對集魚系統(tǒng)水力學(xué)特性的影響，得到以下結(jié)論：

(1)在不設(shè)置補(bǔ)水管的條件下，整個集魚系統(tǒng)內(nèi)流速偏小，流態(tài)較差，不能充分利用魚類的游泳能力，起不到誘魚、集魚的作用。

(2)3個補(bǔ)水管的布置形式要結(jié)合具體的工程條件，使其既能對集魚槽內(nèi)補(bǔ)水，又能對主進(jìn)魚口及輔助進(jìn)魚口補(bǔ)水，增大其流量、流速。本文中補(bǔ)水管與進(jìn)魚孔在水平方向呈30°的布置形式很好地解決了該工程中魚道進(jìn)口水力學(xué)特性不滿足過魚需求的問題，從而在魚類游泳能力滿足的條件下，能夠提高洄游魚類通過率。

在仿自然通道的進(jìn)口處設(shè)置集魚系統(tǒng)，在集魚系統(tǒng)內(nèi)部通過補(bǔ)水措施來達(dá)到集誘魚的效果，充分發(fā)揮集魚系統(tǒng)的作用，這一做法的研究目前在國內(nèi)還比較稀少，因此本試驗具有一定的實(shí)際意義和工程價值，可為其他魚道工程提供借鑒。

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